DNA 염기서열 결정법(DNA Sequencing)

DNA 염기서열 결정법(DNA Sequencing)

진단검사의학 분야에서 DNA 염기서열 결정법은 미생물 및 바이러스의 유전자를 분석하고 다양한 유전질환의 원인 유전자 또는 관련 유전자 이상을 분석할 수 있는 중요한 기법입니다. 이 포스팅에서는 DNA 염기서열 결정법의 이론적 배경, 고전적인 염기서열 결정법, 최신의 자동염기서열 결정법과 차세대 염기서열 결정법(Next Generation Sequencing, NGS)에 대해 다루어 보겠습니다.

1. 이론적 배경

DNA 염기서열에 대한 지식은 생물학 연구와 진단검사의학, 생명공학, 법의학, 계통학 등 다양한 응용분야에서 필수적인 요소가 되고 있습니다. DNA 염기서열 결정법의 발전은 중요한 생물학적 연구와 발견을 가속화시켰으며, 현대의 초고속 염기서열 결정법은 인간 유전체 프로젝트 등을 통해 인간 유전체뿐만 아니라 수많은 동물, 식물, 미생물의 유전체 염기서열을 해독할 수 있도록 했습니다. 특히, 유전자 이상을 직접적으로 증명하는 데 DNA 염기서열 결정법은 필수적인 도구입니다.

2. Maxam-Gilbert 방법

Maxam-Gilbert 방법은 1977년 하버드 대학교의 Allan Maxam과 Walter Gilbert에 의해 개발된 화학적 염기서열 결정법입니다. 이 방법은 DNA의 5' 말단을 방사성 동위원소로 표지한 후, 특정 염기에 작용하는 화학약품을 사용해 DNA를 절단하고, 전기영동을 통해 염기서열을 결정합니다. 이 방법은 분석하고자 하는 DNA의 염기서열을 비교적 정확하게 해독할 수 있지만, 절차가 복잡하고 시간과 비용이 많이 드는 단점이 있습니다.

3. Sanger 방법

Sanger 방법은 효소적 방법 또는 사슬종결법으로 불리며, DNA 염기서열 결정법 중 가장 널리 사용되었던 방법입니다. 이 방법은 DNA 중합효소와 디옥시뉴클레오타이드(dNTP), 그리고 소량의 방사성 동위원소로 표지 된 디디옥시뉴클레오타이드(ddNTP)를 사용하여 DNA 합성을 중단시키는 원리를 기반으로 합니다. Sanger 방법은 Maxam-Gilbert 방법에 비해 독성시약 사용이 적고, 방사성 동위원소의 사용량도 적어 더 안전하고 효율적입니다.

4. 자동염기서열 결정법

자동염기서열 결정법은 Sanger 방법의 개선된 형태로, 사슬종결법에 의존하는 기술입니다. 이 방법의 주요 차이는 방사성 동위원소 대신 서로 다른 형광물질을 사용한다는 점입니다. 4가지 디디옥시뉴클레오타이드를 각각 다른 형광물질로 표지 하고, 단일 튜브에서 반응을 진행한 후, 전기영동을 통해 형광신호를 검출하여 염기서열을 분석합니다.

5. 차세대 염기서열 결정법(Next Generation Sequencing, NGS)

자동염기서열 결정법에 이어 등장한 '차세대 염기서열 결정법(NGS)'은 DNA 염기서열 분석의 혁신을 이끌며, 기존의 Sanger 방법을 대체하는 주요 기술로 자리 잡았습니다. NGS는 대량의 DNA 서열을 빠르게 분석할 수 있어, 대규모 유전체 연구와 정밀의학의 발전에 크게 기여하고 있습니다. NGS는 2000년대 초반부터 상용화되기 시작했으며, 전통적인 Sanger 방법과 달리 대량의 DNA 샘플을 병렬적으로 분석할 수 있습니다. 이 기술의 핵심은 고효율성과 대량 분석에 있으며, 이는 대규모 유전체 데이터 생성에 최적화되어 있습니다. NGS는 특히 '정밀의학(Precision Medicine)'과 '암 유전체학(Cancer Genomics)'에서 중요한 역할을 하고 있으며, 유전자 발현 분석(Transcriptomics), 마이크로바이옴 분석(Microbiome Analysis), 진화생물학(Evolutionary Biology) 등 다양한 연구 분야에서도 필수적인 도구로 활용되고 있습니다. NGS의 도입으로 인해 과학자들은 훨씬 더 빠르고 정확하게 유전체 데이터를 분석할 수 있게 되었으며, 이는 현대 생물학 연구와 개인 맞춤형 치료 시대를 여는 데 중요한 기여를 하고 있습니다.

 

< NGS의 주요 특징은 다음과 같습니다 >

1. 병렬 처리: NGS는 수백만 개의 DNA 분자를 동시에 시퀀싱할 수 있습니다. 이로 인해 인간 유전체 전체를 분석하는 데 걸리는 시간이 크게 단축되었습니다.
2. 높은 처리량: 한 번의 실험으로 엄청난 양의 데이터를 생성할 수 있어, 단일 실험에서 유전체 전체를 분석하는 것이 가능해졌습니다.
3. 정밀도: NGS는 특정 유전적 변이를 높은 정확도로 감지할 수 있으며, 특히 드물거나 복잡한 유전적 변이를 찾는 데 탁월합니다.

 

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오늘은 염석서열분석법인 'Sequencing'에 대해서 알아보았습니다.

현재 의료기관에서 진행하는 진단검사들 중에 아마도 가장 고가의 검사이지 않을까 싶습니다.

 

가장 최신기술 이기도 하고 그동안 원인을 밝히기 어려웠던 희귀 질환에 대한 원인을 규명하는데 도움이 되는 검사이기도 합니다. 대부분 유전질환을 진단하는데 쓰이는 이유는 외부적인 요인에 즉, 감염이나 외상 등이 아니고 선천적으로 가지고 태어날 수밖에 없는 질환들은 유전으로부터 오는 것이기에 이 질환을 규명하기 위해서는 유전자를 알아봐야 알 수 있기 때문입니다.

 

앞서 말한대로 고가의 검사이기 때문에 보통 Sanger sequencing이나 NGS검사를 초임병리사에게 업무를 주진 않습니다. 분자유전 파트에서 몇 년 이상 업무를 진행한 병리사들이 대부분 담당하고 있습니다. 그도 그럴게 초임병리사의 실수로 인한 손실을 병원에서 감내하진 않을 테니까요. 물론 숙련된 병리사라고 해서 실수가 없진 않겠지만 확률적으로 조금은 실수가 덜 할 테니까 이렇게 업무분장이 이루어지는 건 어쩔 수 없는 부분이라고 생각합니다.

 

여기서 함정은 숙련된 병리사라고 해서 이 업무를 한다고 해도 수당이 더 붙거나 하진 않습니다. 그 점은 참고하시길 바라며 포스팅을 마치겠습니다.